Eigenspannungen und Formänderungen in Schweißkonstruktionen

Transkript

1 Iftä- Hänsch Krebs Eigenspannungen und Formänderungen in Schweißkonstruktionen Grundlagen und praktische Anwendungen

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Einführung Zielstellung und Inhalt Eigenspannungen beim Schweißen Entstehen und Arten der Eigenspannungen Unterscheidung und Einteilung der Eigenspannungen Beispiele typischer Eigenspannungsverteilungen Wirkung der Eigenspannungen Formänderungen, Bezeichnungen, Arten und Wirkungen Schrumpfungen ; Verzug und Krümmung (Biegeverzug) Beulung und Verwerfung 13 Schrifttum 16 2 Physikalische Werkstoffeigenschaften, Wärmeeintrag und Temperaturfelder Wärmephysikalische Eigenschaften des Werkstoffs Mechanische Eigenschaften des Werkstoffs und metallurgische Einflüsse beim Schweißen Zum Entstehen von Rissen - Heiß- und Kaltrisse, Lamellarrisse/Terrassenbruch Einflüsse auf das Entstehen von Heißrissen Ursachen für das Entstehen von Heißrissen beim Unterpulver- und Laserstrahlschweißen Einflüsse auf das Entstehen von Kaltrissen Zur Entstehung von Terrassenbrüchen Zum Temperaturfeld beim Schweißen Vereinfachte Übersicht zu Wärmequellen und Temperaturfeldern Analytische Berechnung der Temperaturfelder Praktische Anwendung der Temperaturfeld-Berechnung Berechnung der Maximaltemperatur an definierten Punkten Berechnung von Abkühlungsgeschwindigkeit und Abkühlungszeit Berücksichtigung begrenzter Abmessungen und numerische Berechnung Größen und Erfahrungswerte zum Wärmeeintrag beim Schmelzschweißen 37 Schrifttum ' Formänderungen - Schrumpfungen und zulässige Abweichungen in geschweißten Bauteilen : Grundlagen zu den Formänderungen beim Schweißen Eigenspannungen und Formänderungen : Unterschiedliche Arten der Formänderungen Wärmewirkungen und Schrumpfungen Querschrumpfung durch Stumpfnähte und Kehlnähte Querschrumpfung durch Stumpfnähte - mittig zur Stabachse/in der Plattenebene 43

3 Berechnung der Querschrumpfung abhängig von den Schweißparametern Querschrumpfung abhängig von Blechdicke, Nahtquerschnitt und Schweißverfahren Einflüsse auf die Querschrumpfung an Stumpfnähten-Experimentelle Ergebnisse Querschrumpfung durch Kehlnähte Winkelschrumpfung und Biegeverzug/Krümmung Winkelschrumpfung an Stumpfnähten Winkelschrumpfung durch Kehlnähte Winkelschrumpfung und Biegeverzug an stab-oder trägerförmigen Bauteilen Berechnungsbeispiel für außermittige Quer- und Längsschrumpfung (Krümmungsberechnung) Längs Schrumpfung und Biegeverzug Schrumpfkräfte und Faktoren zur Berechnung der Längsschrumpfung Berechnung der axialen Längenänderung durch Längsschrumpfung Einfluss des Werkstoffs und der Fertigungsbedingungen auf die Längsschrumpfung Außermittige Längsschrumpfung mit Biegeverzug/Stabkrümmung durch Längsnähte Biegeverzug und Verwerfung an ausgesteiften Platten und Bauteilen Biegeverzug beim Schweißen unter Last - außermittige Schrumpfung Zulässige Maß-und Form-Abweichungen nach dem Regelwerk Übersicht Allgemeintoleranzen für Schweißkonstruktionen - Längen- und Winkelmaße - Form und Lage nach DIN EN ISO Anwendungsbereich Allgemeintoleranzen Zeichnungsangaben Toleranzen für Schweißkonstruktionen im Stahlbau Normen zu den Schweißkonstruktionen im Stahlbau, Stahlhochbau und zu den Stahlbau-Kunstbauten der Deutschen Bahn Maßhaltigkeit der Bauteile und Toleranzen nach Normen Bauteilbezogene zulässige Abweichungennach DIN VENV Ergänzende Empfehlungen für größere Bauteile und Baustellenmontagen Krümmung von Vollwandträgern über die x-achse Krümmung von Vollwandträgern über die y-achse Verdrehung von Trägern 91 Schrifttum 91 4 Einfluss der Eigenspannungen und Formänderungen auf die Tragfähigkeit von Schweißverbindungen und Bauteilen Eigenspannungen und Sprödbruchsicherheit Eigenspannungen, Längsnähte und die Bewertung von Sprödbruch-Schadensfällen Ursachen des Sprödbruchs und Maßnahmen zur Vermeidung Nachweis der Sprödbruch-Sicherheit - Werkstoffwahl Maßnahmen zur Vermeidung von Terrassenbrüchen Einfluss der Eigenspannungen auf die statische Tragfähigkeit und die Stabilität Knicken Biegeknicken Biegedrill-Knicken 109

4 Knickstab-ähnliches Ausbeulen breiter längsausgesteifter Druckgurte (Knickstabanalogie) 109 Platten- und Schalenbeulen 110 Querschnittsgestaltung von Druckgliedern 110 Beispiele für Schäden durch Ausbeulung - Einfluss der Eigenspannungen und Formänderungen durch das Schweißen 111 Zylinder-Mantel eines Silos 111 Zusammenbruch einer Kastenträgerbrücke 112 Kritische Beulfeldgröße, Kriterium zum Beulen dünnwandiger Stegbleche von Kastenträgern 112 Einfluss von Eigenspannungen unter Schwinglast und neue Bemessungsrichtlinien Eigenspannungen und Schwingfestigkeit 114 Zur Schwingfestigkeit von geschweißten Bauteilen 117 Wöhlerlinien von Kleinproben und Bauteilproben 117 Einfluss höherer Lastwechselzahl und des Spannungsarmglühens (SPG) 118 Schwingfestigkeit und Mittelspannungseinfluss - Vergleich mit dem Durchschnitt 120 Schwingfestigkeitsnachweis - neue Richtlinien und Erhöhungsfaktor für die Wechselfestigkeit 121 Bestehende Vorschriften - ohne Eigenspannungseinfluss 121 Eigenspannungseinfluss nach neuen IIW-Empfehlungen und -Richtlinien 122 Vorschlag für Erhöhungsfaktor und differenzierte Bewertung 124 Bewertung des Einflusses der Eigenspannungen an typischen Bauteilen 124 Modell des Spannungszustandes in Schweißverbindungen und die Bedingungen für den Abbau der Eigenspannungen 125 Einfluss der Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit typischer Bauteile unter Zug- Lastspannungen 127 Einfluss der Eigenspannungen auf druckbelastete Knickstäbe, Scheiben, Platten und Schalen - Stabilitätsfälle 129 Übersicht zu Eigenspannungseinfluss, Erhöhungsfaktor und Wanddickenbegrenzung. 130 Folgerungen zur Tragfähigkeit und Maßnahmen zur Verminderung des Eigenspannungseinflusses 131 Tragfähigkeit von Bauteilen unter dem Einfluss von Eigenspannungen 131 Anwendung des Spannungsarmglühens 131 Fertigungs- und festigkeitsgerechte Gestaltung von Trägeranschlüssen 132 Maßnahmen zur Verringerung des Eigenspannungseinflusses 133 Nachbehandlungen an konstruktiven Details 135 Sicherheitsnachweise für Bauteile mit unter Last geschweißten Verstärkungen 136 Konstruktionsformen und Wärmeableitung 136 Erforderliche Nachweise 136 Nachweis zum Zeitpunkt der größten Querschnittsschwächung (ZP 1) 137 Nachweise zum Zeitpunkt der Maxima der Dehnung (ZP 2) und der Schrumpfung (ZP 3) Ausführungsbeispiele 140 Schrifttum 141

5 5 Maßnahmen zur Begrenzung der Eigenspannungen und Formänderungen in Schweißkonstruktionen Unternehmerische, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen Hinweise zur Prozessorganisation qualitätsgerechte Schweißfertigung" durch die Unternehmensleitung Hinweise zur Begrenzung der Eigenspannungen und Formänderungen im Nahtbereich Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Querschrumpfung Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der ' Winkelschrumpfung Maßnahmen in der Konstruktion und Fertigungsvorbereitung zur Begrenzung der Längsschrumpfung Hinweise und Beispiele für geringe Formänderungen an geschweißten Bauteilen Allgemeine Hinweise und Beispiele Hinweise und Beispiele zur Begrenzung von Biegeverzug/Krömmung/Verdrehung an Trägern Allgemeine Maßnahmen Wahl der Querschnittsform und die Lage der Schweißnähte Maßnahmen zur Verringerung des Biegeverzugs an Trägern Vorkrümmen und Richten in einem Arbeitsgang bei größerer Stückzahl und mechanisierter Fertigung Hinweise zur Verminderung von Verwerfungen an ausgesteiften Platten und Paneelen Hinweise und Beispiele zur Verringerung von Beulen an Dünnblechen und an Schalen Allgemeine Maßnahmen für die Dünnblechschweißung Beulgefahr und eine Übersicht der Einflüsse Schweißtechnische Fertigungspläne Empfehlungen für Schweißfolgen (Lagenfolgen, Nahtfolgen, Zusammenbaufolgen) Grundsätze für Nahtaufbau (Lagenfolgen) und Nahtfolgen Stumpfnähte Kehlnähte Schlussbetrachtung zu Stumpf- und Kehlnähten Beispiele für Fertigungspläne geschweißter Baugruppen Beispiel Maschinenbau- Getriebekasten Beispiel Stahlbau- Schwenkträger Erstellung von Schweißfolgeplänen durch ein Programmmodul Nachbehandeln von Schweißteilen Mechanisches Richten Thermisches Richten 190 Schrifttum Messen der Formänderungen - Verfahren und Messmittel Messaufgabe und Gesichtspunkte zur Auswahl des Verfahrens Anforderungen zum Nachweis eingehaltener Toleranzen Übersicht zur Auswahl der Messverfahren 198

6 6.2 Messverfahren für Längen und Winkel - lokale Maß-und Formänderungen Messverfahren für Formänderungen in der Ebene Messverfahren für räumliche Formänderungen 206 Schrifttum 215 Anhang A - Geometrische Toleranzen nach DIN V ENV Tabelle A-l - Zulässige Abweichungen für geschweißte T-Querschnitte 221 Tabelle A-2 - Zulässige Abweichungen für Kasten-Querschnitte und Aussteifungen 222 Tabelle A-3 - Zulässige Abweichungen der Länge, Krümmung und Winkel an Bauteilen 223 Tabelle A-4 - Zulässige Abweichungen für Stege und Aussteifungen 224 Anhang B - Abminderungsfaktoren 225 zu Abschnitt Stabilitätsberechnung (Knicken, knickstabähnliches Beulen) 225 zu Abschnitt Abminderungsfaktoren für Biegeknicken 225 zu Abschnitt Abminderungsfaktoren für Biegedrill-Knicken 226 zu Abschnitt Abminderungsfaktoren für Knickstabanalogie 227 Tabelle B-l - Abminderungsfaktor % für Biegeknicken zu den Knickspannungslinien nach Tabelle Größen, Bezeichnungen und Abkürzungen 229